往复式压缩机的管道布置及防振措施

第 4 5卷第 5期 2 0 0 8年 1 0月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N T P I P I N G Vo 1 45 No 5 0c t 20 08 往复式压缩机的管道布置及防振措施 徐 臣华 中 国石化集 团上海工 程有限公 司 上海2 0 0 1 2 0 摘要 为减小往复式压缩机管系的振动 使装置安全有效地运行 文章分析了往复式压缩机管道的振动起因 结 合理论 分析 讨论 了设备 与管道的合理布置及 支架的正确配置 可为往复式压 缩机 管道 工程设计提供参 考 关键词 往复式压 缩机 管道布置 防振 中图分类 号 T Q 0 5 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 0 8 0 5 0 0 5 1 0 4 La y o ut o f Pi p i ng Co n ne c t e d wi t h Re c i pr 0 c a t i ng Co mp r e s s o r a nd Vi br a t i o n Pr o t e c t i o n M e t h o d XU Che n h ua S I N O P E C S h a n g h a i E n g i n e e r i n g C o L t d S h a n g h a i 2 0 0 1 2 0 C h i n a Abs t r a c t To r e d u c e t h e v i br a t i o n o t t he pi pi n g s y s t e m c on n e c t ed wi t h r e c i pr o c a t i ng c o mp r e s s o r S O a s t o ma k e t he c o ns t r uc t i o n i n s a f e a nd e f f e c t i v e o p e r a t i o n i n t h i s a r t i c l e t h e c a u s e o f v i b r a t i o n wa s a n a l y z e d a n d t h e a p pr o pr i a t e l a y o u t o f p i pi ng e q ui pme n t a nd s up p o wa s di s c us s e d Wha t p r e s e n t e d h e r e i n c a u b e r e f e r e nc e d i n pr a c t i c e o f p i p i n g a nd r e c i pr o c a t i ng c o mpr e s s o r e ng i ne e r i n g Ke y wo r ds r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r pi pi ng l a y o u t v i b r a t i o n pr o t e c t i o n 气体压缩机是石油化工或其他生产装置中的常 用设备之一 常用的压缩机按形式有离心式 往 复 式和轴流式等 而其中的往复式压缩机是依靠活塞 的往复运动将气体升压 主要用作小 流量高压 比的 气体输送 广泛应用于化工 石化及炼油等装置 中 由于往复式压缩机 的这种 间歇式增压原理 不可避 免地给设备本身以及相连 的管道带来振动 因此压 缩机及其管道 的合理 布置 以及 防振 措施 的高效合 理 将直接影响到压缩机组的安全有效运行 本文根据作者多年的相关设计经验 将就往复 式压缩机 以下简称压缩机 设 备与管道布置特 点 和如何进行防振加以探讨 1 管道振动的原因 往复式压缩机的工作特点是吸 排气过程呈 间 歇性和周期性 进出 口管道 内的气体呈脉动状态 即 气体流体参数 如压力 速度 密度 等 随位置及 时 问作周期性变化 这种现象称为气流脉动 脉动 的 气体沿管道输送时 如果遇到弯头 异径管 分支管 阀门 盲板等管道组成件 将产生随时问变化 的激振 力 受该激振力作用 管系便产生一定 的机械振动 响应 压力脉动越大 产生 的激振力越大 管道振动 的振 幅和动应力越大 强烈 的脉动气流会严重地影 响气 阀的正常开闭 降低工作效率 此外 如果管道 的抗振设计不合理 比如 出现 了激振频率与管道 固 有频率接近的情况 还会引起管系的强烈机械共振 造成管道及附件疲劳破坏 特别是管道 的连接部位 和管道与附件 的连接部位等处发生松 动和破裂 轻 则发生泄漏 重则造成火灾爆炸等重大事故 因此 气流的脉动是引起 管道振 动的内因 而不 良的管道 设计及 防振措施 是导致管道强烈振动乃至发生破 坏的外 因 有效的抗振设计也应该从 内因和外 因两个方面 人手 即压力不均匀度的控制和共振控制 收稿 日期 2 0 0 8 4 3 7 2 0 作者简介 徐臣华 1 9 6 6 一 男 浙江诸 暨市人 工学士 工程 师 长 期从事石油化工配管设计工作 维普资讯 5 2 化工设备与管道 第 4 5卷第 5期 压力不均匀度反映介质压力上下波动 的程度 管道振动振幅与其成正 比 工程上需将压力不均匀 度控制在一定范 围 当设计压力 P为 0 3 5 2 0 7 MP a时 压力不均度按下式计算 1 2 6 7 7 p d f 式中6 压力不均匀度 p 管内平均绝对压力 MP a d 管道 内径 t r i m 产 脉动频率 Hz 脉动频率 厂 按下式计算 ri m 6 0 式中n 压缩机转速 r m i n m 激发频率 的阶次 单作 用缸 m 1 双 作用缸 m 2 脉动频率 厂为压缩机 的 自然频率 对 于特定压 缩机是不变的 影响压力不均匀度的因素主要有平 均压力 P 管道 内径 d等 因此降低压力不均匀度 可以通过改善管道介质平均压力或增加管道直径等 手段来实现 设计 中通过改 变缓 冲罐的尺寸 加装 孔板等措施可以改变气流 的压力不均匀度 关 于共振问题 实际上涉及到两个振 系的共 振 问题 其一是激振频率与气柱固有频率的关系问题 其二是激振频率和管系固有频率的关系问题 在配管设计 阶段 根据工艺流程及其它管道设 计原则完成配管的初步设计 方案之后 管道 内的气 柱物理形状随之定型 在其它参数不变的情况下 气 柱的固有频率也随之而定 对于该 固有频率 工程 上可通过声学模拟法计算 并将结果与激振频率 比 较 错开共振频率 区即可 在工 程上常把f 0 8 1 2 的频率范 围作 为共 振区 如果共振频率 不能 错开 应通过改变管道布置等措施使其错开 管道设计完成后 管系的管道固有频率也 随之 确定 同样的道理 通过计算管系的固有频率 并与 激振频率比较 使其避开共振区 影响管系固有频 率的因素有很多 但工程上改变管系 固有 频率最有 效也是最容易做到的是改变管系的刚度 而管系的 刚度与管道支吊架的设计关系密切 2 往复式压缩机 的设备布 置 往复式压缩机的种类可分为卧式 立式 w 型 V型 对置式及对称平衡式等 布置方式最常用的为 卧式 J 压缩机厂商在设计及制造时 均采取了一 定的措施降低振动 并设置适 当的报警保护措施 在安装施工时必须高标准严要求 从 源头上充分减 少 因自身 的动平衡不 好而引起 的振动 3 除此 之 外压缩机设备布置的适 当与否对整个管系的防振至 关重要 压缩机具有较多的辅机辅件 通常分两层来布 置 因此主机的安装高度均较高 不利于消振 除采 用独立 的混凝土基础外 需增加主机基础 的质量 至 少应大于主机本身的质量 稳定 的出人 口气 流有助于减少气流 的脉 冲振 动 工程上通常的做法是设 置入 口分液罐 以及出入 口缓 冲罐 分液罐将入 口管道中的部分气体凝液分 离 避免水锤导致的振动 缓冲罐 的设置等 同于增 加了管道的直径 d 从而降低气体 的压力不均匀度 达到减小振动的 目的 为了使得缓 冲的管段最长 要求分液罐和缓 冲罐应尽量靠近往复式压缩机 并 布置在易操作易维修的场地 当两 台以上的压缩机 共用一个人 口分液罐时 分液罐宜布置在两 台压缩 机 的正 中间位置 3 往 复式压缩机进 出 口管道布置 入 口分液罐至压缩机人 口管道布置要求压力降 最小 因此应使该管道距离最短 管件最少 而且管 内不存液 管道走 向有两种 布置方法 一种为管道 形状不 出现袋形 即管道架空布置 为防止振动管道 必须设置较高的支架 这 比设管墩费用高 而且对 阀 门和仪表的操作不方便 一般 只要管 内不存在大量 的气体凝液 就不采用这种布置方法而多采用管道 沿地面布置的方法 其典型布置如图 1所示 图 1 入 口管道布置典型 示意 管道支架设在管墩上有利于提高管系的刚度 增加管系的固有频率 从而有利于 防振 降低管道 维普资讯 2 0 0 8年 1 0月 徐 臣华 往复 式压 缩机 的管道布置及 防振措 施 5 3 高度 还便于阀门和仪表 的操作和维护 但 这种 布 置的缺点是弯头较多 人 口压力损失较大 且管道上 有液袋 对于可凝性气体 管道需伴热 且应设置完 全排 液设施 并排布置的多台压缩机 其管道应统一规划 沿 同一走向成组布置 统一设置 防振支架 压缩机 出 入 口阀门宜集中布置在压缩机 附近 的操作平 台处 如无操作平 台时 则宜集 中布置 在压缩机 附近 的地 面上 出人 口阀门组宜与压缩机轴垂直布置 其典 型布置如图 2所示 放空 火炬线 图2 进出口管道布置典型示意 压缩机人 口过滤器一般开工时使用 细网 目 待 管内清洁后 正常运行时 换 成粗 网 目 为 了能够 抽出过滤网进行正 常的清洁工作 应将其安装在距 缓冲罐管嘴位置最近且容易操作 的位置 但是过滤 器不允许设在 自下而上流动的管道立管上 4往复式压缩机管道防振措施 4 1 管道结构 管系中不可避免地存在拐弯 变径 分支或设有 节流 启闭元件等结构 这些激振源的存在 产生 了 激振力 因此管道布置时 在满足应力分析要求的 情况下应尽量少拐弯 并且拐弯时尽可能用长半径 弯头或 4 5 弯头 切断 阀选 用不宜产生涡流的阀门 且不使用变径管件 这些措施都可有效地降低激振 力水平 从而降低振动带来 的危害 4 2 管道连接处的加强 压缩机主要工艺管道 的分支 拐弯和变径应尽 可能选用标准管件 对于不宜 采用标准 管件 的地 方 如超 出三通尺寸范 围的分支处及仪表管嘴处 应 采取恰 当的补强措 施 这是 因为该结构处存在应力 集 中 产生 的峰值一般较大 且在振动情况下遭受的 是交变载荷 它将会很快导致结构 的疲劳破坏 同 样 此类管系中不应采用螺纹连接 因分支管较小 更易产生振动 分支管道应有适当的支撑 放空 排 凝及仪表阀门应尽量靠近主管安装 4 3 孑 L 板的设置 管道内的平均压力 P是生产装置的工艺操作参 数 主要取决于工艺操作要求 一般是不宜改变 的 但可以通过局部瞬时高压来 降低压力不均匀度 在 压缩机出 口设 置孔板 当压缩机排 气时 气 体 的流 速 流量和压力 由较高值 逐渐降低并跨过 吸气低压 阶段直到下次排气为止 从 而达 到降低孔板下流管 道内介质压力峰值 即降低压力不均匀度的目的 设 置孔板时还应注意 孑 L 径 比宜取 0 4 3 0 5 孔板厚 度宜取 3 5 m l T l 但设置孔板也有不利 的一面 它 会造成气体压力 的损失 管路 中的任何压力降对工 艺的操作都是不利的 一般情况下 该压力降不应超 过管路平均压力的 0 2 5 因此 孔板的应用应慎 重 当采取其它措施可 以降低管路 中的压力不均匀 度时 最好不用孔板 4 4 管道支架设计 为减少管道 的振动 管道宜布置在不等跨 的管 墩上 即相邻两个支架 间距 不得相等 通常间距 为 3 m左右 振动管道 D N 4 0除外 的管墩基础必须 与设备及建构筑物基础分 开 管道支架也不得生根 于厂房 构架 平 台和设备上 从防振角度来说 采 用固定支架是防振最有效 的办法 但 不利于管道 的 补偿 因此应给出其轴 向的 自由度 通常的做法是 采用 防振管卡作 为支架 在设计中常常在管道和防 振管卡之间加一层非金属板 如聚 四氟乙烯板或石 棉橡胶板 如 图 3所 示 保 证管 道与 管卡充 分接 触 而不会 出现间隙 同时考虑 到管道可能产生的 热胀位移 螺栓孑 L 应为椭圆形 对于聚四氟乙烯板 其厚度可取 4 I n l T l 对于石棉橡胶板 可取 2 3 m m 并采用较大的夹紧力 管道弯头和阀等集中载荷的地方特别容易引起 振动 在弯头 三通 阀门以及其它附加荷载集 中点 处应设置防振支架 与放凝 阀 安全阀或泄压阀相 连的放凝及泄压管道 其支架及管卡的设 置类 似于 主管的支架及防振管卡 的设置 维普资讯 5 4 化工设备与管道 第 4 5卷第5期 聚 四氟 乙烯板 图 3防振支架典型示意 4 5 管道热胀力的受力影响 由于压缩热及工艺介质本身的温度而使管道热 胀产生热应力 所 以压缩机进 出 口管道的热应力 问 题也是不容忽视 的 管道若用蒸汽吹扫 蒸 汽温度 高于介质温度 时 应按蒸 汽温度考虑管道 的柔性 由于出口管道内的压力脉动引起 的压力波动范围较 大 所以出口管道上不得设置波形补偿器 需 自然补 偿 在管系的振动分析和设计完成之后 还应对管 系进行静应力校核 并使 由压力脉动和其它载荷产 生的综合一次应力不超过管道的许用应力值 对压 缩机 缓冲罐 冷凝器 分液罐等设备的管嘴和支架 的推力应不大于允许值 5 结束语 往复式压缩机的布置和防振是一个十分复杂的 问题 涉 及到机器 的制造 设 备布置 管 道 器材选 择 支架形式及设备安装等方 面 往复式 压缩机制 造工艺的精确 安装过程的高标准严要求 设备和管 道布置的合理性 等 将从源头上降低整个 管系的振 动 在管道设计 中应总结多套装置的设计和实践经 验 综合考虑各种 因素 合理规划管道 和支架设置 同时应用振动计算专用软件进行分析计算 计算包 括 气柱 固有频率与气动传递特性 的计算 压力不均 匀度沿管道分布及振谱分析 管系结构固有频率 振 型分析 振幅及动应力计算等 并将计算结果应用 于管道设计中 把共振控制在安全范 围内 参 考 文 献 1 岳进 才 压力管道技术 M 中国石化出版社 2 0 0 6 2 陈冠荣 化工百科全书 M 化学工业出版社 1 9 9 4 1 8 o 一 1 8 2 3 屈梁生 何正嘉 机械 放障诊 断学 M 上海 上 海科技 出版 社 1 9 8 6 2 0 0 9年 应用化工 征订启事 应用化工 主要报道化工领域重大科研成果和技术应 用成果 化工企业急需的易于工业化的成果及对生产具有普 遍指导意义的技术改造成果 对具有国家 部省级的自然科 学基金资助项目 科技攻关项 目相关论文优先报道 应用化工 为月刊 大 1 6开 每册 1 5元 全年 1 8 0元 刊号 I S S N t 6 7 1 3 2 0 6 C N 6 1 1 3 7 0 T Q 邮发代号 5 2 2 2 5 当地邮局均可订